В теории вероятностей стабильное распределение количества является сопряженным априорным распределением одностороннего стабильного распределения . Это распределение было обнаружено Стивеном Лином (китайский: 藺鴻圖) в его исследовании дневных распределений S&P 500 и VIX в 2017 году . [1] Семейство стабильных распределений также иногда называют альфа-стабильным распределением Леви , в честь Поля Леви , первого математика, который его изучал. [2]
Из трех параметров, определяющих распределение, параметр устойчивости является наиболее важным. Устойчивые распределения счетов имеют . Известный аналитический случай связан с распределением VIX (см. раздел 7 [1] ). Все моменты конечны для распределения.
Определение
Его стандартное распределение определяется как
где и
Его семейство масштабов местоположения определяется как
Пусть — стандартная устойчивая случайная величина , распределение которой характеризуется соотношением , тогда имеем
где .
Рассмотрим сумму Леви , где , тогда имеет плотность , где . Положим , получим без константы нормировки.
Причину, по которой это распределение называется «стабильным счетом», можно понять из соотношения . Обратите внимание, что это «счет» суммы Леви. При фиксированном , это распределение дает вероятность совершения шагов для прохождения одной единицы расстояния.
Интегральная форма
На основе интегральной формы и имеем интегральную форму как
На основе двойного синусоидального интеграла, приведенного выше, это приводит к интегральной форме стандартной функции распределения:
где - интегральная функция синуса.
Представительство Райта
В разделе «Представление ряда» показано, что устойчивое распределение счетов является частным случаем функции Райта (см. раздел 4 в [4] ):
Это приводит к интегралу Ганкеля: (на основе (1.4.3) из [5] )
Другой подход к получению устойчивого распределения количества состоит в использовании преобразования Лапласа одностороннего устойчивого распределения (раздел 2.4 [1] ).
где .
Пусть , и можно разложить интеграл в левой части как произведение стандартного распределения Лапласа и стандартного устойчивого распределения счета,
где .
Это называется «лямбда-разложением» (см. раздел 4 [1] ), поскольку LHS в предыдущих работах Лихна именовалось «симметричным лямбда-распределением». Однако у него есть несколько более популярных названий, таких как « экспоненциальное распределение мощности » или «обобщенное распределение ошибок/нормальное распределение», часто упоминаемое при . Это также функция выживания Вейбулла в технике надежности .
Лямбда-разложение является основой структуры доходности активов по устойчивому закону Лина. LHS — это распределение доходности активов. В RHS распределение Лапласа представляет лепкуртотический шум, а стабильное распределение счета представляет волатильность.
Стабильное распределение Vol
Вариант стабильного распределения количества называется стабильным распределением объема . Преобразование Лапласа может быть повторно выражено в терминах гауссовой смеси (см. раздел 6 в [4] ). Оно выводится из лямбда-разложения выше путем замены переменной таким образом, что
где
Это преобразование называется обобщенным преобразованием Гаусса, поскольку оно обобщает преобразование Гаусса-Лапласа, которое эквивалентно .
Связь с гамма- и пуассоновским распределениями
Параметр формы гамма-распределений и распределений Пуассона связан с обратной величиной параметра устойчивости Леви . Верхняя регуляризованная гамма-функция может быть выражена как неполный интеграл от
Заменяя разложением и выполняя один интеграл, имеем:
Возвращаясь к , приходим к разложению в терминах устойчивого количества:
Дифференцируя по , приходим к искомой формуле:
Это в форме распределения произведения . Термин в правой части связан с распределением Вейбулла формы . Следовательно, эта формула связывает стабильное распределение счетов с функцией плотности вероятности гамма-распределения ( здесь ) и функцией массы вероятности распределения Пуассона ( здесь , ). А параметр формы можно рассматривать как обратный параметру устойчивости Леви .
Связь с распределениями Хи и Хи-квадрат
Можно показать, что степени свободы в распределениях хи и хи-квадрат связаны с . Таким образом, первоначальная идея рассмотрения в качестве целочисленного индекса в лямбда-разложении здесь оправдана.
Для распределения хи-квадрат это просто, поскольку распределение хи-квадрат является частным случаем гамма-распределения , в том, что . И, как следует из вышесказанного, параметр формы гамма-распределения равен .
Для распределения хи мы начинаем с его CDF , где . Дифференцируем по , имеем его функцию плотности как
где обозначает PDF обобщенного гамма-распределения, CDF которого параметризована как . Эта формула связана с через член. Член является экспонентой, представляющей вторую степень свободы в пространстве параметров формы.
Эта формула является единственной для случая распределения Вейбулла, поскольку должна быть единицей для ; но для того , чтобы существовать, должна быть больше единицы. Когда , является дельта-функцией, и эта формула становится тривиальной. Распределение Вейбулла имеет свой особый способ разложения следующим образом.
Подключение к распределению Вейбулла
Для распределения Вейбулла , CDF которого равен , его параметр формы эквивалентен параметру устойчивости Леви .
Аналогичное выражение распределения продукта может быть получено таким образом, что ядро будет либо односторонним распределением Лапласа , либо распределением Рэлея . Оно начинается с дополнительной функции распределения, которая получается из лямбда-разложения:
Взяв производную от , мы получаем форму распределения произведения распределения Вейбулла PDF как
где и . ясно, что из условий и .
Асимптотические свойства
Для устойчивого семейства распределений важно понимать его асимптотическое поведение. Из [3] для малых ,
Это подтверждает .
Для больших ,
Это показывает, что хвост экспоненциально затухает на бесконечности. Чем больше , тем сильнее затухание.
Этот хвост имеет форму обобщенного гамма-распределения , где в его параметризации , , и . Следовательно, он эквивалентен , чья CDF параметризована как .
Моменты
N -й момент является -м моментом . Все положительные моменты конечны. Это в некотором роде решает сложную проблему расходящихся моментов в устойчивом распределении. (См. раздел 2.4 [1] )
Аналитическое решение моментов получается с помощью функции Райта:
где (См. (1.4.28) из [5] )
Таким образом, среднее значение равно
Дисперсия равна
А самый низкий момент — при применении .
N - й момент устойчивого распределения объема равен
В качестве проверки, в ( см. ниже) можно расширить по Тейлору до .
Известный аналитический случай – квартик стабильный счет
Когда , — распределение Леви , которое является обратным гамма-распределением. Таким образом, — смещенное гамма-распределение формы 3/2 и масштаба ,
где , .
Его среднее значение равно , а его стандартное отклонение равно . Это называется «квартическим стабильным распределением счетов». Слово «квартическое» происходит от предыдущей работы Лина по лямбда-распределению [6] , где . В этой настройке многие грани стабильного распределения счетов имеют элегантные аналитические решения.
Центральные моменты p равны . CDF равна , где — нижняя неполная гамма-функция . А MGF равна . (См. раздел 3 [1] )
Частный случай, когда α → 1
По мере увеличения пик распределения становится острее. Частным случаем является случай . Распределение ведет себя как дельта-функция Дирака ,
где , и .
Аналогично, стабильное распределение объема при также становится дельта-функцией,
Представление серии
На основе представления ряда одностороннего устойчивого распределения имеем:
.
Это последовательное представление имеет две интерпретации:
Во-первых, подобная форма этого ряда была впервые приведена в работе Полларда (1948), [7] , а в «Связи с функцией Миттаг-Леффлера» утверждается, что где — преобразование Лапласа функции Миттаг-Леффлера .
Во-вторых, этот ряд является частным случаем функции Райта : (См. раздел 1.4 [5] )
Доказательство получено с помощью формулы отражения гамма-функции: , которая допускает отображение: в . Представление Райта приводит к аналитическим решениям для многих статистических свойств устойчивого распределения счетов и устанавливает еще одну связь с дробным исчислением.
Приложения
Стабильное распределение подсчета может достаточно хорошо представлять дневное распределение VIX. Предполагается, что VIX распределен как с и (см. раздел 7 [1] ). Таким образом, стабильное распределение подсчета является маргинальным распределением первого порядка процесса волатильности. В этом контексте называется «половой волатильностью». На практике VIX редко падает ниже 10. Это явление оправдывает концепцию «половой волатильности». Пример подгонки показан ниже:
Одна из форм SDE с возвратом к среднему значению для основана на модифицированной модели Кокса–Ингерсолла–Росса (CIR) . Предположим, что это процесс волатильности, у нас есть
где так называемый "vol of vol". "vol of vol" для VIX называется VVIX , который имеет типичное значение около 85. [8]
Это SDE аналитически поддается обработке и удовлетворяет условию Феллера, поэтому никогда не опустится ниже . Но есть тонкая проблема между теорией и практикой. Было около 0,6% вероятности, что VIX действительно опустился ниже . Это называется «перетеканием». Чтобы решить эту проблему, можно заменить квадратный корень на , где обеспечивает небольшой канал утечки для дрейфа немного ниже .
Чрезвычайно низкое значение VIX указывает на очень благодушный рынок. Таким образом, условие перелива, , несет определенное значение - когда оно происходит, оно обычно указывает на затишье перед бурей в деловом цикле.
Генерация случайных величин
Как показывает модифицированная модель CIR выше, для моделирования последовательностей случайных величин стабильного количества требуется другой входной параметр . Стохастический процесс возврата к среднему принимает форму
который должен производить то, что распределяется как . И это указанное пользователем предпочтение того, как быстро должно меняться.
Его также можно записать как отношение двух функций Райта,
При этот процесс сводится к модифицированной модели CIR, где . Это единственный частный случай, когда — прямая линия.
Аналогично, если асимптотическое распределение имеет вид , то решение, обозначенное ниже, имеет вид
При , он сводится к квадратному многочлену: .
Стабильное расширение модели CIR
Ослабляя жесткую связь между термином и приведенным выше термином, можно построить устойчивое расширение модели CIR как
которая сводится к исходной модели CIR при : . Таким образом, параметр контролирует скорость возврата к среднему, параметр местоположения устанавливает, где находится среднее, является параметром волатильности, а является параметром формы для устойчивого закона.
Чтобы понять это решение, рассмотрим асимптотически для больших , хвост по-прежнему имеет форму обобщенного гамма-распределения , где в его параметризации , , и . Он сводится к исходной модели CIR при , где
с и ; следовательно .
С другой стороны, Поллард (1948) дал следующее соотношение [7]:
Таким образом , мы получаем связь между стабильным распределением счетов и функцией Миттаг-Леффтера:
Это соотношение можно быстро проверить в точке , где и . Это приводит к известному результату квартикального стабильного счета:
Связь с дробным по времени уравнением Фоккера-Планка
Обычное уравнение Фоккера-Планка (FPE) имеет вид , где — пространственный оператор Фоккера-Планка, — коэффициент диффузии , — температура, — внешнее поле. Дробное по времени FPE вводит дополнительную дробную производную, такую что , где — дробный коэффициент диффузии.
Пусть в , мы получаем ядро для дробного по времени FPE (уравнение (16) из [10] )
откуда дробная плотность может быть рассчитана из обычного раствора через
Так как посредством замены переменной , то указанный выше интеграл становится распределением произведения с , аналогично концепции «лямбда-разложения», и масштабированием времени :
Здесь интерпретируется как распределение примеси, выраженное в единицах , вызывающее аномальную диффузию .
^ abcdefg Лихн, Стивен (2017). «Теория доходности активов и волатильности при стабильном законе и стабильном лямбда-распределении». SSRN 3046732.
^ Поль Леви, Исчисление вероятностей, 1925 г.
^ ab Penson, KA; Górska, K. (2010-11-17). "Точные и явные плотности вероятности для односторонних распределений Леви". Physical Review Letters . 105 (21): 210604. arXiv : 1007.0193 . Bibcode :2010PhRvL.105u0604P. doi :10.1103/PhysRevLett.105.210604. PMID 21231282. S2CID 27497684.
^ ab Lihn, Stephen (2020). «Стабильное распределение количества для индексов волатильности и пространственно-временная обобщенная стабильная характеристическая функция». SSRN 3659383.
^ abc Mathai, AM; Haubold, HJ (2017). Дробное и многомерное исчисление . Springer Optimization and Its Applications. Том 122. Cham: Springer International Publishing. doi : 10.1007/978-3-319-59993-9. ISBN9783319599922.
^ Лихн, Стивен ХТ (26.01.2017). «От улыбки волатильности к вероятности, нейтральной по отношению к риску, и решение в замкнутой форме функции локальной волатильности». SSRN 2906522.
^ ab Поллард, Гарри (1948-12-01). "Полностью монотонный характер функции Миттаг-Леффлера Ea(−x)". Бюллетень Американского математического общества . 54 (12): 1115–1117. doi : 10.1090/S0002-9904-1948-09132-7 . ISSN 0002-9904.
^ Саксена, РК; Матай, АМ; Хаубольд, Х.Дж. (01.09.2009). «Функции Миттаг-Леффлера и их приложения». arXiv : 0909.0230 [math.CA].
^ Баркай, Э. (29.03.2001). «Дробное уравнение Фоккера-Планка, решение и применение». Physical Review E. 63 ( 4): 046118. Bibcode : 2001PhRvE..63d6118B. doi : 10.1103/PhysRevE.63.046118. ISSN 1063-651X. PMID 11308923. S2CID 18112355.
Внешние ссылки
Пакет R «stabledist» от Дитхельма Вюрца, Мартина Мейхлера и членов основной команды Rmetrics. Вычисляет стабильную плотность, вероятность, квантили и случайные числа. Обновлено 12 сентября 2016 г.